[연구]25% 늘려도 그대로인 스트레처블 디스플레이 개발​

< 사진 1. 신소재공학과 배병수 교수 >스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국 연구진이 25%까지 늘릴 수 있으며, 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비*) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발해 화제다.*음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1): 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다. 우리 대학 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(원장 류석현)과 공동연구를 통해, 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머* 소재를 기반으로 제작되고 있지만 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.*엘라스토머 (elastomer) : 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재  이를 해결하기 위해 옥세틱* 메타 구조의 도입이 각광받고 있다. 옥세틱 구조는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 독특한 구조다. 그러나 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아서 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.*옥세틱 구조 (Auxetic structure): 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조 배병수 교수 연구팀은 먼저 이미지 왜곡의 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 –1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.< 그림 1. 본 연구에서 개발된 음의 푸아송비 필름 기판의 개념도. a) 기존의 다른 기판들과의 비교. 본 연구에서 개발된 기판 필름만이 이미지의 왜곡 없는 모습을 보여준다. b) 필름의 내부 구조. c) 필름이 음의 푸아송비를 가지는 원리 >두 번째 탄성률*의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 직경의 유리 섬유 다발로 만든 직물을 엘라스토머 소재 내에 삽입했다. 여기에 동일한 엘라스토머 소재로 빈 공간을 채워넣어 빈 공간이 없는 편평하고 안정적인 일체형 필름을 제작했다.*탄성률: 재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율. 탄성률이 높으면 변형이 잘 일어나지 않는 재료임을 의미한다. 연구팀은 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간의 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 주는 것을 이론적으로 규명했으며, 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 –1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.< 그림 2. 본 연구에서 제작한 음의 푸아송비 필름의 변형 모습. a) 세로 방향으로 늘릴 때의 모습과 유한요소 시뮬레이션 결과. b) 2축 신장 이미지. 순수 엘라스토머 소재는 신장이 없는 방향으로 수축이 일어나는 데에 반해 본 연구에서 개발한 음의 푸아송비 필름은 원래의 형태를 유지하면서 전 방향으로 동시에 팽창한다. >연구를 주도한 배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심적인 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데에는 어려움을 겪고 있었다”며, “이번 연구 결과를 통해서 표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 말했다. 신소재공학과 이융 박사와 한국기계연구원 장봉균 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다. (논문명: A seamless auxetic substrate with a negative Poisson's ratio of –1)< 그림 3. 본 연구에서 제작된 이미지의 왜곡이 없는 스트레처블 디스플레이의 구조 개념도와 소자 현미경 이미지 > 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.< 그림 4. 본 연구에서 제작된 형상 왜곡 없는 스트레처블 디스플레이 소자의 개념도와 이미지 > 

[연구]3차원 신개념 스트레쳐블 OLED 개발​

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 유승협 교수, 김수본 박사, 동아대학교 문한얼 교수 >우리 연구진이 골프공의 표면처럼 반복적으로 파여 있는 구조를 도입해 실제 닿는 유효 면적을 줄임으로써 면과 면 사이의 점착력을 현저히 줄인다는 아이디어로, 잡아당겨도 성능을 유지하는 신개념 스트레처블 디스플레이를 개발해 화제다. 우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 동아대 문한얼 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 실감소자 연구본부와의 협력을 통해 세계 최고 수준의 높은 초기 발광 면적비와 고신축성을 동시에 갖는 유기발광다이오드(organic light-emitting diode, OLED) 디스플레이를 구현하는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 기존의 신축형 디스플레이에서는 성능과 신축성을 동시에 확보하기 위해, 발광하는 부분은 단단한 고립구조(rigid island)에 위치해 신축 시에도 기계적 변형 없이 우수한 성능을 보이도록 하고, 이들을 연결하는 커넥터 부분은 말굽 모양 등의 구부러진 형태로 구성해 신축에 따라 용이하게 변형할 수 있게 한다. 통상적으로 이들 구조는 이차원 평면상에 한정되는데, 이 경우 구부러진 연결 커넥터에 필요한 공간 확보를 위해 전체 면적대비 발광 면적의 비율을 불가피하게 희생해야 하는 한계점이 있다. 공동 연구팀은 2차원 평면에 국한하지 않고 구부림 연결 커넥터가 힌지(경첩)형 회전과 인장을 동시에 활용할 수 있는 3차원 높이 교차 구조를 제안, 잡아당기지 않은 초기 상태에서 85%의 발광 면적비와 40%의 최대 시스템 신축률을 동시에 갖는 OLED 디스플레이 기술을 달성했다.< 그림 1. 3차원 팝업 구조 기반의 신축형 디스플레이의 구현 모식도 (좌). 단단한 사각 고립구조 어레이에 배치된 초박형 OLED 패널을 하부 탄성 기판이 인장된 상태에서 결합한 후 놓아주면, 우측 상단의 도식과 같이 점착층이 가려진 부분의 고립구조가 올라가는 현상이 발생함. (우상) 점착층에 결합된 고립구조와 점착층이 가려진 부분에 있는 고립구조가 번갈아 가며 존재하여, 전자 현미경 사진에 보이듯이 번갈아 가며 고립구조의 높이가 다른 3차원 구조를 형성함 (중좌). 점착층을 가려야 하는 부분은 골프공 표면처럼 파여 있는 점착방지층으로 되어 있어 정전기 현상 등 없이 고립구조가 잘 떠오를 수 있도록 함 (중우). 늘리지 않은 초기 상태에서 85%의 발광 면적비 (우중)와 최대 40%의 시스템 신축율 구현 결과 (우하). >이와 동등한 수준의 신축형 디스플레이를 2차원에 한정된 구부림 연결 커넥터를 통해 구현할 경우, 약 500% 인장이 가능한 연결 커넥터가 있어야 가능할 정도의 우수한 결과다. 연구팀은 또한, 반복적인 동작과 곡면 변형에서도 안정적으로 성능을 유지하는 결과를 확인했다. 처음 시도되는 개념이다 보니 연구 개발이 처음부터 순조롭지는 않았다. 특히, 초박막 OLED가 신축 변화 시 높이를 변화할 때 극복해야 할 OLED 기판과 신축성 플랫폼 사이의 점착력이 생각보다 커, 팝업돼야 할 초박막 OLED가 설계대로 부양되지 못하고 무질서하게 바닥에 붙는 난관에 부딪혔다. 고민을 거듭하던 유승협 교수와 김수본 박사는, 마치 골프공의 표면처럼 반복적으로 파여 있는 구조를 도입해 실제 닿는 유효 면적을 줄임으로써 면과 면 사이의 점착력을 현저히 줄이는 아이디어를 제시, 실험적으로 구현했고 이를 적용해 설계한 대로 완벽하게 동작하는 신축형 디스플레이를 구현하는 데 성공했다.< 그림 2. 제안된 기술을 이용한 신축형 OLED 디스플레이 구현 결과 (좌). 양축 인장 및 곡면 변형에서도 성능을 유지하는 OLED 디스플레이의 구현 결과 (우). >유승협 교수는 “높은 발광 면적비 및 우수한 신축률을 동시에 가능하게 하는 신축 유기발광 다이오드 기술의 확보는 신축형 디스플레이 기술의 난제를 해결하는 중요한 열쇠”라고 밝히며, "아이디어 입안에서부터 이의 성공적 구현을 위한 기계적 설계, 산업적 호환성이 큰 소재 및 소자구조의 활용, 반복성이 우수한 안정적 공정 수립에 이르기까지 김수본 박사(개발 당시 박사과정 학생, 24년 2월 박사 졸업)의 체계적이고 집념 어린 연구 수행, 그리고 ETRI와 동아대와의 협력이 큰 역할을 했다”고 말했다.유승협 교수 연구실의 김수본 박사가 제1 저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2024년 9월 6일 자 게재됐다.(논문명: 3D height-alternant island arrays for stretchable OLEDs with high active area ratio and maximum strain, Nature Comm. 15, 7802 (2024). 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52046-6). 한편 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터 사업(인체부착형 빛 치료 공학연구센터) 및 중견연구자사업, 그리고 한국전자통신연구원 연구운영비지원사업(ICT 소재·부품·장비 자립 및 도전 기술 개발)의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구]고성능 스트레처블 고분자 반도체를 위한 신개념 계면공학법 개발

우리 대학 신소재공학과 강지형 교수, 미국 버클리 대학교 문재완 박사와 미국 스탠퍼드 대학교 제난 바오(Zhenan Bao) 교수 공동연구팀이 고분자 반도체와 회로기판의 경계면을 개선하는 새로운 계면 개질법을 개발하고, 이를 이용해 고성능 스트레처블(늘어나고 유연한) 고분자 반도체를 구현했다고 24일 밝혔다.고분자 반도체는 기존의 실리콘 기반의 반도체와는 다르게 탄소를 기반으로 구성돼 있으며, 상대적으로 낮은 가격과 대면적 공정이 가능하다는 장점으로 인해 추후 유연 소자, 태양전지, OLED 등의 산업에 응용될 수 있는 차세대 반도체 재료다. 하지만 전기적 성능이 좋은 고분자 반도체는 작은 응력에도 쉽게 깨지는 문제점이 있었다. 일반적으로 고분자 반도체는 결정구조를 많이 가질수록 전기적 성능이 좋아지지만, 이러한 결정구조는 고분자 반도체가 응력에 취약해지게 만들기 때문이다.이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존에는 분자구조의 변화, 첨가제 등을 이용해 고분자 반도체 자체의 기계적 물성을 변화시키는 데 주로 초점을 맞춰왔다. 그러나 기존의 방법들은 기계적 물성이 향상되는 대신 전기적 성질이 악화되고, 각각의 고분자 반도체에 맞는 분자구조를 찾는데 많은 시간이 소요돼 고성능 스트레처블 고분자 반도체 구현에 적합하지 않았다. < 고분자 박막과 스트레처블 기판 사이에 계면 개질층 도입 방법 및 이를 통한 박막의 파괴 기계적 거동 변화 >우리 대학 강지형 교수와 스탠퍼드 대학교 제난 바오 교수 공동연구팀은 이번 연구에서 고분자 자체의 성질을 변화시키는 것이 아닌 기판과 고분자 반도체 사이의 계면을 개질하는 새로운 방법을 제시했다. 이러한 계면 공학법을 통해 고분자 반도체는 전기적 성질을 잃지 않으면서 기계적 물성이 크게 개선됐다. 공동연구팀은 이번 연구에서 응력에 의해 고분자 반도체가 손상을 받는 것은 고분자 박막과 기판 사이 계면에서의 박리 현상과 그로 인한 응력의 편재화(localization)에 의해 상당 부분 기인함을 발견했다. 공동연구팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 고분자 반도체 박막과 기판 사이의 계면에 새로운 고분자 층을 도입했다. 이 고분자 층은 반도체 박막과 기판 모두와 강하게 결합해 두 층의 박리현상과 응력의 편재화를 효과적으로 막아줬으며, 동역학적 결합(dynamic bond)을 할 수 있는 구조를 가져 추가적인 응력 분산 효과를 보였다.이러한 계면 개질이 이뤄진 고성능 고분자 반도체는 최대 110%의 변형률까지 눈에 띄는 균열이 발견되지 않았으며, 이는 기존의 같은 반도체가 30% 변형률에서 상당한 균열을 보인 것에 비하면 획기적인 발전이다. 또한 이러한 접근법은 특정 고분자 반도체에 국한되지 않고, 다양한 고분자 반도체, 고분자 전도체, 금속 전도체에 모두 적용 가능하다는 장점이 있다. < 다양한 고분자 및 금속 박막으로의 계면 개질층 적용 가능성 >신소재공학과 강지형 교수와 스탠퍼드 대학교 문재완 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노 재료 분야 저명 국제 학술지 `네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)' 11월 10일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Tough interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors).강지형 교수는 "이번 연구는 스트레처블 고분자 반도체 구현을 위한 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다ˮ고 하면서, "이번에 개발된 계면 공학법은 급속도로 성장하고 있는 유연소자 시장에 게임 체인저가 될 것으로 기대된다ˮ고 말했다.한편 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업 미래기술연구실, 삼성종기원 과제의 지원을 받아 수행됐다.

주름 안생기는 OLED 디스플레이 가능해진다

주름 안생기는 OLED 디스플레이 가능해진다 KAIST 최경철 교수 연구팀, 스트레처블 기판 개발 사물인터넷 웨어러블 등 차세대 디스플레이 적용 기대 길애경 기자 kilpaper@HelloDD.com​​ 입력 : 2020.02.25|수정 : 2020.02.26 " src="https://hellodd.com/upload/editor/202002/thumb/watermark_687x0_noname018.jpg"> 신축성 유기발광다이오드의 신축에 따른 휘도-전류 특성 및 제작된 다양한 스펙트럼을 가지는 신축 유기발광다이오드.<사진= KAIST> 신축성 있는 OLED(유기발광소자) 디스플레이 기술이 개발되며 웨어러블 의료기기 등 차세대 디스플레이에 활용이 기대된다. KAIST(총장 신성철)는 최경철 전기및전자공학부 교수 연구팀이 신축성 높은 유연한 기둥과 멤브레인 형태를 결합한 새로운 스트레처블 기판을 개발했다고 25일 밝혔다. 스트레처블 디스플레이 기술은 한 방향으로 구부리거나 접는 기존의 플렉서블 OLED 디스플레이 기술을 뛰어넘어 두 방향 이상으로 변환할 수 있다. 웨어러블, 사물인터넷, 인공지능, 차량용 디스플레이에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목된다. 최근 사물인터넷, 웨어러블 시장이 확대되며 자유롭게 늘어날 수 있는 OLED 소자와 디스플레이에 신축성을 주는 방법이 연구돼 왔다. 하지만 모든 재료를 신축성 있는 재료로 바꾸는 방식은 효율이 낮아 상용화가 어렵고 패턴을 형성하는데 한계가 있었다. 기판을 먼저 늘리고 난뒤 원래대로 복원해 얇은 주름을 형성하는 방식의 스트레처블 OLED는 효율이 높고 안정적이지만 주름 형태가 일정하지 않아 신축에 따른 화면 왜곡이 발생해 왔다. 연구팀은 높은 휘도와 신축성을 가지는 디스플레이 구현에 집중했다. 우선 단단하게 패턴화된 기판에 가해지는 힘을 최소화할 수 있는 기둥구조가 형성된 유연 기판을 결합했다. 이를 바탕으로 새로운 형태의 핵심 부품기술인 스트레처블 기판을 개발했다. 또 개발된 스트레처블 기판과 기존 공정을  활용해 신축성 있는 OLED 디스플레이를 구현했다. 연구팀은 기존 공정을 활용해도 새로운 스트레처블 기판 부품 기술을 활용하면 스트레처블 디스플레이를 구현할 수 있다는 것을 증명했다. 기존의 스트레처블 디스플레이 기술이 기존 공정을 활용할 수 없다는 단점을 극복한 것이다. 개발된 스트레처블 OLED 디스플레이는 신축에 따른 휘도 변화가 적음이 규명됐다. 구조적으로 주름이 형성된 신축성 소자에 비해 주름이 없어 신축시 같은 파장 영역대의 빛을 제공하는 것을 확인했다. 또 발광 빛의 각도 의존성이 없어 다양한 스트레처블 디스플레이 응용분야에도 적용 가능할 것으로 기대된다. 남민우 연구원은 "새로운 물질의 개발이 아닌 상용화된 공정과 물질을 사용해 새로운 스트레처블 기판 위에 OLED 디스플레이를 구현했다"며 "기존의 스트레처블 디스플레이 연구가 가지는 단점들을 뛰어넘어 상용화 될 수 있는 스트레처블 부품 기술을 개발하고자 했다"고 말했다.   최경철 교수는 "제작된 스트레처블 기판을 활용하면 스트레처블 OLED, 마이크로 LED, 센서 등 구현이 가능하며 바이오 및 의료분야와 결합한 다양한 치료분야에 적용할 수 있다"고 설명했다. 임명섭 박사와 남민우 박사과정이 주도한 이번 연구는 나노 분야 국제학술지 '나노 레터스'에 지난달 28일자 온라인 게재됐다.   출처 : HelloDD